青岛大学刘亚辉、薄志山教授：空间位阻诱导的高性能平面型非稠环电子受体

青岛大学薄志山课题组借助侧链工程的理念，设计合成了系列非稠环电子受体，研究表明侧基能够显著影响分子的构型、吸收和能级等。其中，基于TT-TC8的光伏器件获得了13.13%的光电转换效率。总的来说，通过合理利用空间位阻效应能够设计低成本、高性能的非稠环电子受体。

近年来，随着非富勒烯受体材料的创新和发展，有机太阳电池（OSC）的能量转换效率（PCE）得到了迅速提高。基于稠环电子受体的OSC的PCE超过了18%，为未来的商业应用提供了可能性。然而，稠环电子受体的合成往往步骤较长，收率较低，成本普遍较高，这在一定程度上限制了其大规模的生产和应用。为满足实际应用，仍需开发高性能、低成本的非富勒烯电子受体材料。采用非稠环电子受体是一种极佳的替代方案，其最高PCE已经超过了15%，表现出一定的竞争力。然而，非稠环电子受体的光伏性能仍然落后于稠环电子受体。我们组前期研究工作表明，分子的构型、能级、堆积方式等均可以给非稠环电子受体的性能带来显著影响。（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3356; Nat. Commun. 2019, 10, 3038; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22714; Adv. Energy Mater. 2021, 2102591）。因此，为获得高性能的非稠环电子受体，须进一步理清受体分子结构与器件性能的关系。

基于以上思考，我们提出了运用空间位阻效应来构筑非稠环受体分子，如图1，2所示。量化计算表明，大位阻侧基能够实现分子构型的连续调节，其中TT-TC8具有平面的分子骨架，且两个苯基取代基几乎垂直于分子骨架，使得受体能够具有良好的电荷传输能力及溶解性。                           

图1  TTC6, TT-C8T 和 TT-TC8 的化学分子结构图 

图2  通过DFT计算简化的TTC6、TT-C8T和TT-TC8的分子几何结构 

GIWAXS测试表明（图3），TT-TC8倾向于形成多维、有序的分子取向，并能形成更紧密的分子堆积。器件物理测试表明基于TT-TC8器件的能量损失最低，形貌研究表明基于TT-TC8的共混膜具有良好的相容性，并形成双连续互穿网络结构。由于这些综合优势，基于TT-TC8的器件获得了13.13%的光电转换效率，远高于TTC6（4.41%）和TT-C8T（10.42%）。该工作为设计低成本、高性能非稠环电子受体开辟了新的途径。该论文第一作者为路皓，通讯作者为青岛大学刘亚辉教授、陈亚男博士和薄志山教授。

图 3  GIWAXS 测试结果 

详见：Lu H, Wang X, Wang H, Zhang A, Zheng X, Yu N, Tang Z, Xu X, Liu Y, Chen YN, Bo Z. High-performance nonfused ring electron acceptor with a steric hindrance induced planar molecular backbone. Sci China Chem, 2022, https://doi.org/10.1007/s11426-021-1159-y

扫描二维码免费阅读全文

【扩展阅读】

通讯作者简介

薄志山 1967年生，吉林大学学士、硕士、博士，德国柏林自由大学和美国北卡州立大学博士后，2002年获得基金委“杰出青年科学”基金支持，教育部长江学者特聘教授（2015-2020），教育部长江学者创新团队带头人，能量转换与存储材料北京市重点实验室主任。主要从事共轭聚合物光电功能材料的合成与性能研究，在国际重要学术期刊发表学术论文260余篇。 

刘亚辉 1991年生，2013年本科毕业于北京师范大学获得学士学位，2018年博士毕业于北京师范大学获得博士学位，师从薄志山教授。2020年加入青岛大学纺织服装学院，功能染料与应用技术研究院核心成员，硕士生导师，主持国家青年基金、面上项目等。研究方向：有机光电材料与器件，如有机太阳能电池关键材料、钙钛矿太阳能电池空穴传输材料等，开发了多种非富勒烯受体材料，共轭聚合物给体材料等。至今发表SCI论文40余篇。 

陈亚男 1990年生，2013年毕业于四川师范大学，2018年毕业于北京师范大学获得博士学位，导师为汪辉亮教授。2020年加入青岛大学，参与多项国家面上项目，研究方向包括水凝胶、有机太阳能电池器件等。